|
Меню сайта
Статистика
|
Квантово-механические радиоустройстваКвантово-механические радиоустройстваШла вторая мировая война. Фашистские самолеты бомбили города Англии. Радиолокационные станции на британском побережье обнаруживали вражеские самолеты и позволяли англичанам подготовиться к защите. Постепенно было замечено, что радиолокаторам, которые работали на волнах метрового диапазона, мешают сильные помехи. Англичане предположили, что это противник «забивает» эфир помехами нового вида. Но после внимательных наблюдений обнаружилось, что помехи всегда появлялись рано утром, на заре, когда антенны смотрели в сторону восходящего солнца. Весь остальной день и всю ночь станции работали нормально. Следовательно, радиопомехи посылало Солнце. Этот случай лишний раз подтвердил, что природа всех электромагнитных волн одинакова. Солнце излучает и свет и радиоволны в широком диапазоне частот. Из Вселенной к нам непрерывно идет поток радиоизлучений от звезд и туманностей, от скоплений межзвездного газа и других космических объектов. Излучение электромагнитных волн заключено в самой природе вещества и энергии. Электромагнитную энергию частиц вещества изучает наука квантовая механика. Каждый атом состоит из ядра и электронных оболочек — орбит, по которым вращаются электроны. Орбита электрона может проходить и близко от ядра и на сравнительно далеком от него расстоянии — это зависит от количества его энергии. Но у каждого атома есть свои определенные, «разрешенные» орбиты, между которыми электроны находиться не могут: энергия электронов может меняться только скачками (см. статьи «Свет» и «Загадки твердого тела»). В обычном, или, как говорят, невозбужденном, состоянии электрон занимает самый нижний энергетический уровень. Чем больше запас энергии, тем дальше от ядра вращается электрон. Ближняя к ядру орбита — самая устойчивая, и в возбужденном атоме электрон всегда стремится перебраться на нее. Но если электрон был на высоком уровне, то куда же денется избыток энергии, когда он перейдет на нижний уровень? Вот эта-то энергия и излучается в виде электромагнитной волны. При переходе электрона с одного уровня на другой энергия выделяется вполне определенными порциями — квантами. Чем больше разница между энергетическими уровнями, чем больше энергия кванта, тем выше частота электромагнитного излучения. Таким образом, атомы, в которых много электронов и много «разрешенных» орбит, могут излучать электромагнитные волны самой различной длины, в том числе и радиоволны. В окружающей нас природе происходят и другие квантовые процессы, которые сопровождаются излучением электромагнитной энергии. Изменение энергии колебаний атомов в пределах молекулы порождает инфракрасные лучи; изменение энергии во вращательном движении молекул создает еще более длинноволновые излучения, спектр которых в зависимости от вещества простирается до радиоволн сантиметрового диапазона. Свет, идущий от пламени спички, это результат многочисленных перемещений электронов, возбужденных тепловым воздействием горения. Таким образом, атомы и молекулы излучают электромагнитные волны самых разных частот. Такое беспорядочное излучение нельзя использовать для радиопередач, так как модулирующий сигнал, несущий сообщение, может быть наложен лишь на волну какой-либо определенной, устойчивой частоты. Такие колебания называют монохроматическими, т. е. колебаниями одной частоты. Если спектр излучаемого сигнала шире, чем спектр модулирующих частот, то они затеряются среди многочисленных частот излучаемого сигнала и их нельзя будет выделить из него. Поэтому, чтобы использовать для целей радиотехники, скажем, свет, нужно создать генераторы монохроматического, или, как еще говорят, когерентного, светового излучения. Иными словами, устройство должно излучать не просто световой луч, а луч только одной частоты, одной длины волны, например только красный (рис. 23). Проникновение в микромир, глубокое изучение строения вещества и квантовых взаимодействий, разработка методов, как управлять поведением атомов и молекул,— все это позволило использовать сами атомы в качестве передатчиков и приемников радиоволн. Этим занимается специальная отрасль радиотехники —квантовая электроника. Одними из первых были применены в технике молекулярные усилители и генераторы. Были построены генераторы с небывалой стабильностью частоты. Это не удивительно, ведь в качестве колебательной системы использовались молекулы вещества, колебательные свойства которых практически не зависят от времени. Современные квантовые генераторы теоретически позволяют, например, создать часы с такой точностью хода, что ошибка не превысит одну секунду за многие тысячи лет. Погрешность уже созданных атомных часов равна одной секунде за триста лет. Без таких сверхточных часов невозможны будут, например, космические полеты. Огромную ценность для радиотехники представляют квантовые усилители радиочастотных колебаний. Они позволяют значительно увеличить чувствительность приемных устройств (до сих пор ее ограничивали собственные шумы приемного устройства). В этих усилителях атомы кристаллов, в которых происходит взаимодействие с квантами, подвергнуты глубокому охлаждению (см. ст. «На подступах к абсолютному нулю»). При температуре, близкой к абсолютному нулю, собственные шумы в сантиметровом диапазоне волн ничтожны. Это и позволяет принимать сигналы, в сотни раз более слабые, чем с помощью обычных радиоприемников (рис. 24).
Квантово-механические приборы помогают радиотехнике осваивать все более и более короткие волны. В одном из первых молекулярных генераторов использовались молекулы аммиака. Частота их собственных колебаний соответствует радиоволне длиной 1,25 см. А сейчас квантовая электроника располагает устройствами, способными генерировать и усиливать радиоволны, длина которых доли микрона, т. е. генерировать и усиливать свет! В обычных источниках света атомы возбуждаются (их электроны переводятся на более высокий энергетический уровень) за счет нагревания (в лампах накаливания) или за счет газового разряда (в газоразрядных лампах). Поскольку возбужденное состояние, как правило, неустойчиво, атомы излучают свет и возвращаются на первоначальный уровень, причем происходит это беспорядочно, неодновременно. Колебания таких источников, как говорят, некогерентны. Но переход электрона на нижний энергетический уровень можно вызвать, искусственно воздействуя внешней силой — электромагнитной волной. Подобно тому как резонансный контур откликается только на ту частоту, на которую он настроен, так и энергетический переход электрона в атоме может произвести только та электромагнитная волна, энергия кванта которой в точности соответствует разнице энергий между возможными энергетическими уровнями электрона. Таким образом, если перевести атомы какого-либо вещества на верхний уровень и облучить их волной соответствующей длины, все атомы будут излучать согласованно, в такт с проходящей волной. Колебания источников излучения будут когерентными. Правда, нужно найти вещества, атомы которых длительное время могли бы находиться в возбужденном состоянии и не излучали бы самопроизвольно. Физики нашли такие вещества. Один из наиболее распространенных квантово-механических приборов — генератор когерентного светового излучения. Он назван лазером. Это название составлено из первых букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Так же составлены названия и других квантово-механических приборов: мазер — генератор сантиметровых и миллиметровых радиоволн, и разер — генератор инфракрасных лучей. Основа лазера — кристалл искусственного рубина, внешним видом и размерами похожий на толстый карандаш. В качестве примеси в кристалл входят ионы хрома. При облучении обычным, некогерентным зеленым светом от мощного внешнего источника (его называют генератором «накачки») энергия как бы накачивается в кристалл (рис. 25) и беспорядочно переводит ионы хрома на верхний уровень. Они так же самопроизвольно и беспорядочно возвращаются, но не на нижний уровень, а на средний, теряя только часть приобретенной энергии. Здесь они могут удерживаться достаточно долго. А уже с этого уровня их может столкнуть на нижний уровень — одновременно, как по команде, — луч красного света. Зеленый свет применяется для накачки лазера потому, что энергия его квантов соответствует энергии, необходимой для перевода ионов хрома с нижнего уровня на верхний. Переход со среднего уровня на нижний соответствует излучению красного света, поэтому только красный луч и может вызвать излучение возбужденных до среднего уровня атомов. Полезная работа лазера состоит в том, что энергия луча, проходящего сквозь кристалл, увеличивается за счет излучения ионов, и из прибора луч выходит усиленным. Но лишь десятая доля процента, идущая от лампы-накачки, преобразуется в рубине в узкий пучок красного цвета. Только узкая полоса частот соответствует зеленому свету, который переводит ионы хрома с нижнего энергетического уровня на верхний. Эта полоса так узка, что практически луч лазера монохроматичен, т. е. излучение идет на одной частоте. Сконцентрированные на среднем энергетическом уровне ионы скачком переходят на нижний уровень и излучают частоту, соответствующую разнице между энергиями нижнего и среднего уровней. Излучение лазера импульсное, так как ионы не могут долго удерживаться на среднем уровне. Стоит нескольким из них перейти на нижний уровень, как появившийся красный луч начнет вызывать переходы других ионов. Пройдя вдоль рубинового «карандаша», луч усилится сравнительно ненамного. Поэтому торцы кристалла покрывают серебром и полируют, превращая их в отражающие зеркала. Отражаясь от них, луч многократно пройдет из конца в конец по кристаллу, соберет энергию со всех возбужденных ионов и выйдет через узкое отверстие, оставленное в одном из посеребренных концов, т. е. выстрелит красным лучом. Весь этот процесс длится тысячные доли секунды. В последнее время появились и лазеры непрерывного действия. Они работают как усилители света. К описанному остается добавить, что генератор «накачки» обычно представляет собой газоразрядную лампу, стеклянная трубка которой спирально обвивает кристалл рубина. Кроме того, прибор оборудован сложной системой охлаждения, оптическими устройствами и т. п. Значительные возможности генераторов света, микроволн и инфракрасных лучей обусловливают две физические особенности. Во-первых, когерентность, монохроматичность излучения. Это свойство позволяет накладывать на сигнал генератора модуляцию любого вида, что особенно важно для связи. Во-вторых, передача электромагнитных колебаний, длина волны которых ничтожна по сравнению с радиоволнами, применяемыми в радиотехнике. Короткая волна обеспечивает высокую направленность излучения, которая тем выше, чем больше отношение диаметра антенны к длине волны. Так, например, антенна (прозрачный торец рубинового кристалла) диаметром в 10 мм при длине волны в 0,7 мк имеет такую же направленность, как и антенна диаметром в 1,5 км при длине волны в 10 см. Не удивительно, что луч, выходящий из рубина, почти не расходится. Уже существующие лазеры могут высветить на Луне пятно диаметром всего в несколько километров! Это особенно важно для космической связи с ее огромными расстояниями: потери энергии будут сравнительно небольшими. (См. ст. «Разговор с планетами по радио».) Особенно интересны перспективы применения лазеров и мазеров на космических ракетах. В космосе можно обойтись без источников тока для накачки генераторов. Здесь всегда есть даровая энергия. В лучах Солнца есть и зеленые лучи; сфокусировав их на кристалле с помощью линз и зеркал, можно обеспечить генераторы и усилители нужной им энергией в любом количестве. Как именно можно применить оптические частоты в радиотехнике, еще далеко не полностью ясно. Но перспективы, открывшиеся уже сейчас, сулят этой области науки и техники грандиозное будущее. Ученые уже говорят и о создании малошумящих усилителей, и об «атомных» стандартах частоты, и об очередной проверке теории относительности, и о космической связи на расстоянии, измеряемом световыми годами, и о радиолокации с высочайшей разрешающей способностью, т. е. практически о «радиовидении», и о наземных и космических радиолиниях с немыслимой ранее емкостью каналов. Впереди также применение квантово-механических приборов в вычислительных машинах, в управлении химическими реакциями и биологическими процессами, в исследованиях веществ под воздействием чрезвычайно концентрированных потоков световой энергии, плотность которых приближается к плотности энергии в дуге при электросварке.
|
ПОИСК
Block title
|
